intTypePromotion=1
ADSENSE

Luận văn : THU THẬP VÀ TỔ CHỨC DỮ LIỆU GENE PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU CÂY TRỒNG BIẾN ĐỔI DI TRUYỀN part 2

Chia sẻ: Pkjd Opiuj | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

54
lượt xem
4
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hình 1.6: Sao chép và dịch mã Trong 64 codon, ta có thể kể:  Ba codon UAA, UAG, UGA là các “codons non sens”, không đƣợc dịch thành amino acid; chúng là dấu hiệu chấm dứt sự đọc, nên còn đƣợc gọi là “codon stop”.  61 codon còn lại mã hóa 20 amino acid. Trừ Met và Trp chỉ đƣợc mã hóa bởi 1 codon, các amino acid khác đƣợc mã hóa bởi nhiều codon. Nhƣ vậy có nhiều codon cùng nghĩa.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn : THU THẬP VÀ TỔ CHỨC DỮ LIỆU GENE PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU CÂY TRỒNG BIẾN ĐỔI DI TRUYỀN part 2

  1. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Gene 9 Hình 1.6: Sao chép và dịch mã Trong 64 codon, ta có thể kể:  Ba codon UAA, UAG, UGA là các “codons non sens”, không đƣợc dịch thành amino acid; chúng là dấu hiệu chấm dứt sự đọc, nên còn đƣợc gọi là “codon stop”.  61 codon còn lại mã hóa 20 amino acid. Trừ Met và Trp chỉ đƣợc mã hóa bởi 1 codon, các amino acid khác đƣợc mã hóa bởi nhiều codon. Nhƣ vậy có nhiều codon cùng nghĩa. Hình 1.7: Mã di truyền của nhân (các codon của mRNA) NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  2. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Gene 10 I.1.3.3. Ba đặc tính quan trọng của mã di truyền  Phổ biến (universal): Mã di truyền cơ bản giống nhau cho mọi sinh vật (động vật, thực vật, vi khuẩn hay virus). Chính vì thế từ điển mã di truyền ra đời là bằng chứng thuyết phục về nguồn gốc tiến hóa chung của sinh vật.  Suy biến (degenerate): nhiều codon mã hóa cho một amino acid. Trong phần lớn các trƣờng hợp, các bộ ba mã hóa cho một amino acid chỉ khác nhau ở base thứ ba, thí dụ: UUU và UUC (Phe), CAA và CAG (Gln)…  Không gối nhau: Mã di truyền đƣợc đọc tuần tự từ “bộ ba” này đến “bộ ba” kế tiếp, liên tục trong một chuỗi, từ điểm khởi đầu cho đến kết thúc. a) Giả thuyết về base “dao động” *Thế nào là base “dao động” Mã di truyền chung (có tính phổ biến) là điều hết sức lý thú để hiểu về sinh vật. Tuy nhiên, Sanger (1980) đã đặt lại vấn đề, vì có vài codon khác biệt trong ti thể. Và vì Met và Trp đƣợc mã hóa bởi hai codon thay vì một. Hình 1.8: Mã di truyền ty thể ngƣời Sau phát hiện này, ngƣời ta còn thấy những codon khác ở nấm men, Paramecium,…Thí dụ UAA của mRNA tế bào chất của Paramecium không phải là codon Stop, mà là Gln. NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  3. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Gene 11 Mã di truyền có 61 codon mã hóa cho 20 amino acid. Do đó ta có thể nghĩ rằng có 61 tRNA (qui tắc bổ sung codon-anticodon). Tuy nhiên, thực tế một mRNA nhận biết nhiều codon mã hóa cho cùng một amino acid. Nói cách khác không cần phải có đủ 61 tRNA để vận chuyển acid amin trong quá trình dịch mã (nhƣng một tRNA không bao giờ nhận biết hai amino acid khác nhau). Theo giả thuyết base “dao động” (Crick, 1966), hai nucleotide đầu tiên của một codon (mRNA) bổ sung một cách nghiêm chỉnh với anticodon của t-RNA, nhƣng base thứ ba của codon bắt cặp với base thứ nhất của anticodon theo cách tƣơng đối lỏng lẻo. b) Ích lợi của tính suy biến mã di truyền và base “dao động” Có ba điều lợi chính:  Sự suy biến mã di truyền tạo nên một hệ thống bảo vệ đối với các đột biến có thể sinh ra, sự thay đổi base thứ ba thƣờng không gây hậu quả, vì codon đột biến không làm thay đổi tRNA.  Các nối wobble cho phép tế bào tiết kiệm vật chất và năng lƣợng: không cần 61 tRNA để nhận biết 61 codon.  Cầu nối yếu hơn giữa base thứ nhất của anticodon và base thứ base của codon giúp các tRNA phân ly dễ hơn, và do đó sự tổng hợp protein nhanh hơn. Hình 1.9: Các kiểu wobble trong tế bào chất (ở các hữu nhũ) NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  4. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Gene 12 I.1.4. Cấu trúc căn bản của một gene eukaryote Chiều dài và cấu trúc một gene rất thay đổi. Gene là các trình tự DNA đƣợc sao chép, các trình tự này có thể ở trên sợi này hay sợi kia của phân tử DNA. Geneome là toàn bộ các gene và các trình tự không mã hóa của một cá thể. (A) (B) Hình 1.10: Các trình tự đƣợc sao chép của DNA (gene). (A) sự sao chép của một sợi DNA (B) sự không liên tục của gene Gene eukaryote không liên tục, mà bao gồm:  Các exon là các trình tự mang thông tin di truyền sẽ đƣợc biểu hiện.  Các intron là các trình tự nằm xen kẽ với các phần mang thông tin di truyền, đƣợc sao chép nhƣng không đƣợc dịch.  Gene ở phần lớn prokaryote có phần ghi mã liên tục, không có intron. NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  5. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 13 I.2. Cơ sở sinh học về chuyển gene Hình thức cơ bản nhất trong cải biến di truyền (Genetic transformation) là đƣa những gene chuyển (transgenes) vào trong sinh vật bằng cách nào đó mà các gene này có thể đƣợc biểu hiện. Kỹ thuật này còn đƣợc gọi là kỹ thuật di truyền. Mục tiêu cuối cùng của kỹ thuật di truyền hay kỹ thuật DNA tái tổ hợp là sự biểu hiện bền vững và có thể di truyền của tính trạng mới trong bộ phận hay cơ thể khác. Điều này đạt đƣợc thông qua cấu trúc vector mang gene chuyển. Plasmid, retrovirus (RNA virus) và bacteriophage là các vector quan trọng đặc biệt trong chuyển thông tin di truyền. Trong quá trình chuyển gene, kỹ thuật di truyền cắt và sắp xếp lại các đoạn DNA tạo ra cấu trúc gene chuyển chèn vào vector. Hình 1.11: Cắt DNA Plasmid sử dụng enzyme cắt giới hạn Hình 1.12: Gắn gene chuyển vào vector (Plasmid) Hebert Boyer và Stanley Cohen đã đạt đƣợc thành tựu chuyển gene đầu tiên vào năm 1973, khi đó họ đã tạo ra gene với các phần DNA từ vi khuẩn và lƣỡng cƣ, biểu hiện gene kháng kháng sinh. Với sự thành công trong việc sử dụng enzyme và vector, các nhà khoa học này đã tiên phong trong việc sử dụng kỹ thuật di truyền và chuyển thông tin di truyền. Nghiên cứu của họ đã đặt nền móng cho nhiều công việc ngày nay trong công nghệ sinh học. NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  6. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 14 I.2.1. Các vấn đề chủ yếu trong việc cải biến di truyền Thuật ngữ genetically modified thƣờng xuyên đƣợc dùng để mô tả những sinh vật đƣợc chuyển gene hay đƣợc biến đổi di truyền. Khoa học của kỹ thuật di truyền đƣợc phát triển với mục tiêu xây dựng các gene phục vụ cho chuyển gene. Hệ thống chuyển gene gồm ba vấn đề chính:  Kỹ thuật đƣa DNA lạ vào tế bào đích.  Tế bào hay mô bền vững với điều kiện chuyển gene.  Các phƣơng pháp cho phép xác định và chọn lọc tế bào hay bộ phận chuyển gene. Một trong những giới hạn của cải thiện di truyền truyền thống là sự không hòa hợp giữa các loài. Ví dụ: Đậu là loài giàu amino acid chứa sunfur. Tuy nhiên đậu lại thiếu lysine. Mặt khác lúa giàu lysine nhƣng thiếu amino acid chứa sunfur. Vì không thể lai giữa hai loài này với nhau, vì thế ngƣời trồng trọt truyền thống không thể phát triển loại đậu mới giàu lysine hay lúa giàu thành phần amino acid chứa sunfur. Chuyển gene cho phép trao đổi các gene giữa các sinh vật mà không hòa hợp giới tính. Với kỹ thuật di truyền và chuyển gene có thể cho phép ta chuyển gene giữa vi khuẩn, động vật, thực vật và virus. Công cụ cơ bản trong chuyển gene là enzyme cắt giới hạn, đƣợc dùng để cắt DNA tại những vị trí đặc biệt, và các enzyme ligase mà xúc tác cho việc nối các đoạn DNA. Sử dụng đúng enzyme cắt giới hạn có thể cắt đƣợc DNA plasmid vòng của vi khuẩn thành dạng thẳng. Dùng ligase có thể gắn thêm đoạn DNA khác chứa gene quan tâm vào plasmid bị cắt. Plasmid mới có thể đƣợc đƣa vào vi khuẩn thông qua quá trình gọi là “xung điện” (electroporation), vi khuẩn có thể đƣợc dùng để chuyển gene chuyển vào (sinh vật đích). Nếu plasmid DNA đƣợc tích hợp vào trong genome của sinh vật nhận và gene chuyển đƣợc biểu hiện, cá thể đó đƣợc xem nhƣ đã đƣợc chuyển gene (transgenic). I.2.2. Các phương pháp chuyển gene Có nhiều phƣơng pháp chuyển gene, nhƣng bốn phƣơng pháp đạt kết quả cao nhất là: Chuyển gene thông qua Agrobacterium, bắn gene, vi tiêm, và chuyển trực tiếp. Mỗi phƣơng pháp có ƣu và nhƣợc riêng và đƣợc sử dụng trong những trƣờng hợp đặc NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  7. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 15 biệt. Ở thời điểm này không có một phƣơng pháp nào phù hợp cho tất cả các trƣờng hợp. Chuyển gene thông qua Agrobacterium Vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens có khả năng nhận ra vết thƣơng trên thực vật, kích thích việc chuyển plasmid vi khuẩn vào thực vật. Plasmid có khả năng tích hợp vào DNA tế bào chủ gây ra sự tăng trƣởng không kiểm soát ở thực vật hình thành bƣớu. Khả năng này của A. tumefaciens làm nó có vai trò quan trọng trong giai đoạn sớm của chuyển gene. A. tumefaciens là vector đầu tiên đƣợc dùng để chuyển gene lạ vào tế bào thực vật, đƣợc dùng cho cả thực vật hai lá mầm và thực vật một lá mầm. Một loại vi khuẩn đất khác Agrobacterium rhizogenees, kích thích tạo rễ thứ cấp sau khi nhiễm cũng đã đƣợc dùng cho chuyển gene thực vật. Cơ bản của phƣơng pháp này dựa vào plasmid vi khuẩn có khả năng tích hợp bộ gene cây chủ. Phần quan trọng của plasmid là vùng đảm nhận tr ách nhiệm cho việc chuyển gene vào trong bộ gene thực vật. Phần này gọi là DNA chuyển (T -DNA), và phần DNA này là phần chủ yếu gây tăng trƣởng bƣớu của thực vật nhiễm. Vùng này nằm giữa vai phải và vai trái của plasmid cho phép vi khuẩn chuyển gene mới vào trong thực vật nhận. Hình 1.13: Plasmid dùng trong chuyển gene đậu nành Chuyển gene nhờ vi khuẩn A. tumefaciens thƣờng là sử dụng đĩa lá. Đĩa lá có đƣờng kýnh khoảng 6 mm đƣợc nuôi cấy trên đĩa môi trƣờng chứa A. tumefaciens mang plasmid chứa gene chuyển. Sau khoảng thời gian ủ khoảng một tháng trong môi NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  8. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 16 trƣờng nuôi cấy mô, chồi bắt đầu phát triển trên đĩa lá. Thông qua các phƣơng pháp chọn lọc, chồi chuyển gene đƣợc xác định và đƣợc tái tạo thành cây hoàn chỉnh. Hình 1.14: Chuyển gene thông qua môi trƣờng Agrobacterium tumefaciens Bắn gene (biolistics) Phƣơng pháp bắn gene sớm đƣợc sử dụng nhiều ngay sau khi ra đời để chuyển gene vào cây ngũ cốc. Phƣơng pháp này dựa trên sự bắn các vi hạt (tungsten hoặc vàng) bọc DNA vào mô nhờ lực đẩy của không khí, khí helium hoặc dòng điện. Christou và ctv (1991) là những tác giả đầu tiên nhận đƣợc cây chuyển gene từ phôi non của một số giống lúa qua sử dụng thiết bị bắn ACCELLR. Sau đó, Cao và ctv (1992) thông báo việc tạo cây chuyển gene từ tế bào huyền phù nhờ thi ết bị PDS1000/ He BiolisticTM. Từ đó, phƣơng pháp này đƣợc sử dụng phổ biến để tạo cây chuyển gene. Phƣơng pháp này có thể áp dụng trên bất cứ loại mô nào có khả năng tái sinh cây, không cần sử dụng tế bào trần và loại mô đã qua giai đoạn mô sẹo lâu dài do đó giảm thiểu đƣợc sự biến dị. Hình 1.15: Súng bắn gene đƣợc dùng trong chuyển gene NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  9. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 17 Phƣơng pháp này có nhƣợc điểm là chi phí cao và sự tích hợp vào cây chủ rất phức tạp cho nên nhiều nhóm nghiên cứu đã giảm thiểu sử dụng phƣơng pháp này. Vi tiêm (Microinjection) Phƣơng pháp này đƣợc phát triển cho chuyển gene ở động vật nhƣng cũng đƣợc mở rộng cho thực vật. Mặc dù rất khó và tốn nhiều công sức, sự vi tiêm DNA cũng đã đem lại nhiều kết quả dƣơng tính và đã đƣợc dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm. Hình 1.16: Chuyển gene thông qua vi Trong kỹ thuật này, ống vi mao quản đƣợc dùng để đƣa DNA trực tiếp vào tế bào. Mỗi tế bào chuyển phải đƣợc thao tác riêng lẽ. Một thuận lợi của phƣơng pháp này là tối ƣu hóa lƣợng DNA đƣợc đƣa vào trong tế bào đích, giúp tố i ƣu khả năng tích hợp. Kết quả dƣơng tính đã thu đƣợc ở các loài nhƣ bắp, lúa mì, đậu nành, thuốc lá, lúa và trong động vật nhƣ cá hồi, gia súc và heo. Chuyển gene trực tiếp Chuyển gene trực tiếp đã đƣợc hoàn thành sớm sau phƣơng pháp dùng Agrobacterium. Các phƣơng pháp này dùng tế bào trần (protoplast) là tế bào đích cho chuyển gene. Phƣơng pháp này đơn giản là thêm một lƣợng lớn plasmid chuyển gene vào môi trƣờng nuôi cấy tế bào trần, đảm bảo rằng một lƣợng nhỏ tế bào trần sẽ bắt đƣợc plasmid. Tỷ lệ tích hợp sẽ tăng lên khi dùng thêm polyethylene glycol (PEG) hay sử dụng xung điện. Không có rào cản thực sự nào đối với phƣơng pháp này, do đó ngƣời ta cho rằng phƣơng pháp này đƣợc sử dụng cho hầu hết các loài. Vấn đề khó khăn là tái tạo lại toàn bộ cây trồng từ tế bào trần. Vì thế phƣơng pháp này không đƣợc dùng rộng rãi nhƣ các phƣơng pháp khác. I.2.3. Những khó khăn trong chuyển gene. Nuôi cấy mô đƣợc xác định là trở ngại lớn nhất trong sự phát triển của sản phẩm cây chuyển gene. Cần thiết phải có phƣơng pháp để tái tạo lại toàn bộ cá thể từ tế bào hay mô đƣợc chuyển gene. Một trong những khó khăn đối với các nhà khoa học là tính NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  10. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 18 lặp lại của công việc thông thƣờng chỉ đƣợc một số chứ không đƣợc cho tất cả các loài. Điều này giới hạn phổ cá thể có thể đƣợc chuyển gene. Trong nhiều trƣờng hợp, phải dùng phƣơng pháp chuyển gene chuyển thông qua phƣơng pháp lai truyền thống. Một ví dụ cho trƣờng hợp này là chuyển gene ở lúa mì. Chuyển gene ở hầu hết lúa mì thì rất khó vì gặp khó khăn trong nuôi cấy mô. Giống Bobwhite không nằm trong trƣờng hợp trên, và phƣơng pháp chuyển gene đã đƣợc phát triển cho giống lúa mì này. Khi gene đã đƣợc chuyển thành công trong Bobwhite, nó có thể chuyển sang các giống khác thông qua lai giống truyền thống. Một khó khăn liên quan đến sử dụng nuôi cấy mô trong chuyển gene là các loại dòng tế bào soma. Các cây trồng tạo ra trong nuôi cấy mô có tỉ lệ đột biến cao và xuất hiện những giống bất thƣờng. Điều này bởi tính nhạy cảm của tế bào trong nuôi cấy mô. Nhiều trƣờng hợp, cây trồng nuôi cấy mô gặp vấn đề trong nuôi cấy tế bào chứ không từ sự tích hợp của gene chuyển. Các phƣơng pháp chuyển gene gần đây hứa hẹn tạo ra cuộc cách mạng trong việc chuyển gene vào cây trồng. Một vài phƣơng pháp đã đƣợc sử dụng trong Arabidopsis thaliana. Một phƣơng pháp là ngâm chồi trong dung dịch chứa plasmid mang gene chuyển. Một phƣơng pháp khác, vẫn đang trong giai đoạn phát triển là chuyển gene vào hạt thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens. Mặc dù các phƣơng pháp này đã đƣợc sử dụng thành công trong Arabidopsis, nhƣng vẫn chƣa có công bố đối với cây trồng. Vấn đề mấu chốt của hai phƣơng pháp này là sự chuyển gene không cần phải thực hiện tái tạo cây qua nuôi cấy mô. Các phƣơng pháp này thú vị bởi vì sự chuyển gene thực hiện trên hạt mà có thể trồng để xác định cá thể chuyển gene. I.2.4. Sản phẩm của kỹ thuật di truyền Chuyển gene đã phát triển nhiều sản phẩm mới với nhiều tác động lên xã hội, từ thuốc tới thực phẩm với dinh dƣỡng cao cấp. Thành công thƣơng mại lớn nhất của kỹ thuật di truyền là insulin trong vi khuẩn chuyển gene năm 1980. Sau đó nhiều sản phẩm khác cũng đã đƣợc công bố. Giống cây trồng đƣợc thƣơng mại hóa đầu tiên là cà chua Flavr Savr, đƣợc phát triển bởi công ty Calgene, California. Sản phẩm này đƣợc thƣơng mại ngày 21 tháng 5 năm 1994, với hai gene mới đƣợc chuyển vào cây cà chua. Gene thứ nhất là bản sao ngƣợc của gene polygalactonurase (reverse copy of the polygalactonurase gene), mã hóa cho enzyme phá hủy cellulose. Chuyển gene ở hình thức ngƣợc, gọi là antisense, NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  11. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 19 tạo ra lƣợng enzyme polygalactonurase thấp. Kết quả, những quả cà chua chín không mất đi sự cứng cáp của nó, bởi vì thành tế bào cà chua là cellulose không bị phân hủy nhanh chóng nhƣ cà chua thông thƣờng. Gene thứ hai đƣợc chuyển vào giống Flavr Savr mã hóa cho tính kháng với kháng sinh kanamycin. Gene này đƣợc chuyển vào cây nhƣ chỉ thị (marker) cho nhận biết cây chuyển gene. Bảng sau bao gồm danh sách các cây trồng chuyển gene. Các tính trạng phần lớn là kháng thuốc trừ cỏ, kháng côn trùng, và chất lƣợng dinh dƣỡng. Bảng 1.1: Một số loài sinh vật đã đƣợc chuyển gene Thực vật Động vật Cải dầu Lúa Bò Bắp Đậu nành Khỉ Bông vải Hƣớng dƣơng Chuột Cây khuynh diệp Thuốc lá Heo Cà chua Cá hồi Nho Đu đủ Lúa mì Khoai tây Củ cải đƣờng I.2.5. Tiềm năng của chuyển gene Mục đích của phát triển giống thông qua công nghệ sinh học cũng giống nhƣ cải thiện theo di truyền cổ điển. Tất cả các tính trạng mong muốn đƣợc cải thiện năng suất, tăng sức sống, kháng côn trùng, và chất lƣợng dinh dƣỡng. Tuy nhiên, công nghệ sinh học còn cho phép phát triển giống với những tính trạng mà không thể phát triển qua lai giống cổ điển. Ví dụ: Trƣờng hợp giống lúa giàu lysine và đậu nành giàu amino acid sunfur đƣợc đề cập ở phần trên. I.2.5.1. Các chức năng mới được thêm vào trong cải biến di truyền thực vật Thay đổi hình dạng của enzyme (Altered Forms of Enzymes) Chuyển gene mã hóa cho enzyme có cấu trúc đƣợc bổ sung làm nó không nhạy cảm với điều kiện hóa chất và môi trƣờng. Ví dụ, gene mã hóa cho enzyme EPSP (5 - enolpyruvyl-shikimate-3-phosphate synthase) biến đổi cấu trúc đem lại tính kháng thuốc diệt cỏ glyphosate. NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  12. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 20 Tổng hợp tăng cƣờng protein (overproduction of proteins) Chuyển vào nhiều bản sao của gene hay sử dụng promoter mạnh đem lại kết quả tăng cƣờng sản phẩm protein. Vấn đề này có thể đƣợc áp dụng cho tính trạng dinh dƣỡng hay cho tính kháng bệnh. Ức chế gene nội sinh (Silencing of Endogeneous Genes) Ức chế một phần hay toàn bộ sự biểu hiện gene có thể đạt đƣợc qua kỹ thuật RNA antisense. Kỹ thuật này chuyển gene có chiều ngƣợc lại với gene ban đầu. Khi sao mã, sản phẩm này bổ sung với gene ban đầu. mRNA của gene quan tâm lại bổ sung đối với gene chuyển, kết quả tạo thành RNA kép ngăn cản quá trình dịch mã. Về mặt lý thuyết, mRNA antisense có thể đƣợc dùng để ức chế sự biểu hiện của bất kỳ gene nào. I.2.5.2. Các tính trạng mới (News traits) Các gene ở các loài khác có thể đƣợc chuyển vào sinh vật đích, làm cho tính trạng của loài này cũng có trong loài khác. Gồm các khả năng sau: Trao đổi chất (Metabolism): chuyển gene từ loài cố định nitơ. Kháng côn trùng sinh học (Biopesticides): gene Bt đƣợc chuyển từ vi khuẩn Bacillus thuringiensis tới bắp, bông vải, và các cây trồng khác. Kháng bệnh (Disease Resistance) Một ví dụ là lúa mạch kháng đối với Barley Yellow Dwarf Virus (BYDV), kết quả của việc chuyển gene mã hóa protein vỏ của virus BYDV vào lúa mạch. Khử đực (Male sterility) Chuyển gene khử đực để có thể tăng tỉ lệ thụ phấn chéo trong các loài tự thụ phấn. Xử lý sinh học (Bioremediation) Chuyển các gene mã hóa cho các chất hấp thụ kim loại nặng hay khả năng xử lý chất thải ô nhiễm đó là những ứng dụng trong xử lý sinh học. Dƣợc liệu (Pharmaceutical) Chuyển các gene mã hóa các chất có đặc tính chữa bệnh đƣợc dùng trong y khoa Thay đổi các đặc tính bản chất (Alteration in the Individual’s Architecture) Thay đổi thời gian ra hoa, cấu trúc cây, hay màu sắc đối với các thực vật dùng cho trang trí. NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  13. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 21 I.2.5.3. Sự biểu hiện gene Tất cả tế bào đều chứa số lƣợng nhiễm sắc thể đặc trƣng cho loài. Nhƣng không phải tất cả các gene đều biểu hiện trong mỗi tế bào. Ví dụ, các gene mã hóa cho sản phẩm chlorophyll đƣợc biểu hiện ở lá và các thành phần xanh khác của cây. Tuy nhiên chúng lại không biểu hiện ở rễ. Sự điều hòa gene là một quá trình phức tạp, chịu sự chi phối của hàng loạt các yếu tố. Hiện tƣợng chung xảy ra trong kỹ thuật di truyền là sự không có quá trình biểu hiện gene sau khi gene đã đƣợc chuyển vào sinh vật. Vì vậy, hiểu cơ chế biểu hiện gene là điều cực kỳ quan trọng trong kỹ thuật di truyền. Trong vi khuẩn, một số gene đƣợc kích hoạt trong khi đó một số gene khác lại bị bất hoạt phụ thuộc vào môi trƣờng mà vi khuẩn tăng trƣởng. Ví dụ, vi khuẩn Escherichia coli có thể sử dụng hai loại nguồn cacbon khác nhau, lactose và glucose tạo ra năng lƣợng. Vi khuẩn cần tổng hợp ra enzyme đặc biệt phân hủy cacbohydrate thành năng lƣợng. Các enzyme này cũng giống nhƣ các protein khác, đƣợc mã hóa bởi gene. Khi E.coli đƣợc nuôi cấy trong môi trƣờng với cả hai glucose và lactose (ƣa thích glucose hơn), nó trao đổi chất. Gene mã hóa cho enzyme trao đổi glucose vì thế đƣợc biểu hiện trƣớc. Trao đổi chất lactose đòi hỏi thêm enzyme khác và chỉ đƣợc hoạt hóa khi môi trƣờng cạn kiệt glucose và lactose trở thành nguồn năng lƣợng có sẵn. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là điều hòa gene. Biểu hiện gene trong cơ thể phức tạp vẫn chƣa đƣợc hiểu biết hoàn toàn. Biểu hiện gene không chỉ là chức năng bên trong cơ thể mà còn chịu sự kích thích của môi trƣờng. Cơ chế điều hòa gene liên quan đến gene điều hòa. Các trình tự DNA này không mã hóa cho bất kỳ protein nào. Chức năng của chúng là đẩy mạnh sự kích hoạt hay ức chế gene. Một phần quan trọng của gene điều hòa là promoter. Promoter là trình tự DNA đứng trƣớc gene, chứa trình tự điều hòa để kiểm soát tỉ lệ RNA sao mã. Promoter kiểm soát khi trong tế bào có gene đƣợc biểu hiện. Thông qua xử lý trên promoter có thể tạo ra biểu hiện quá mức, quá thấp hoặc ức chế. Một số promoter mang tính cơ bản (constitutive) trong khi đó một số khác mang tính có thể chi phối (inducible). Trong số các promoter này, một số có thể bị chi phối bởi chất hóa học, số khác đƣợc kích hoạt bởi nhiệt, ánh sáng hay hormon. Một số NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  14. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 22 promoter hoạt động trong một số mô hay cơ quan nhất định, không hoạt động trong phần khác. Trong trƣờng hợp này, chúng đƣợc xem là promoter đặc biệt của mô. Sau đây giới thiệu một số promoter thƣờng đƣợc dùng trong kỹ thuật di truyền: Loại cơ bản  UBI từ bắp  35SCaMV từ virus khảm suplơ (cauliflower) Loại mô đặc biệt  Phaseolina promoter (promoter đặc biệt của hạt từ đậu phộng).  Vicillin promoter (promoter đặc biệt của hạt từ đậu Hà Lan).  Glutamine promoter (promoter đặc biệt của nội nhũ từ lúa mì). Loại kích thích  Rubisco 5S promoter ( kích hoạt bởi ánh sáng). Bên cạnh promoter, các yếu tố di truyền khác cũng quan trọng trong sự biểu hiện gene phù hợp. Mặc dù mã di truyền có tính toàn bộ, nó cũng đƣợc xem là thoái hóa. Mỗi sinh vật ƣa thích các codon đặc biệt mã hóa amino acid trong suốt quá trình tiến hóa, điều này cũng tác động đến sự biểu hiện gene. Đó là trƣờng hợp của gene Bt từ vi khuẩn Bacillus thuringiensis chuyển trong bắp. Ban đầu biểu hiện gene đó của vi khuẩn trong bắp rất thấp, tuy nhiên khi gene chuyển đƣợc xử lý lại sử dụng các codon ƣa thích của bắp, sự biểu hiện gene xảy ra bình thƣờng. Nhiều yếu tố khác có thể ảnh hƣởng sự biểu hiện của gene chuyển, nhƣ sự hiện diện của các peptide tín hiệu, vị trí sự tích hợp của gene trong bộ gene, số lƣợng bản sao tích hợp, và sự tái sắp xếp gene chuyển trong suốt quá trình tích hợp. Tích hợp gene chuyển vào trong tế bào cây chủ nhìn chung xảy ra ngẫu nhiên, nghĩa là nó có th ể xảy ra bất kỳ trên nhiễm sắc thể nào của tế bào và bất kỳ vị trí nào trong nhiễm sắc thể. Tuy nhiên, hầu hết các tính trạng chuyển gene, gene chuyển thƣờng nằm ở vị trí cuối của nhiễm sắc thể. Nhiều bản sao của gene chuyển đƣợc tích hợp cùng nhau một các h đặc thù. I.2.6. Locus chuyển gene Cấu trúc gene đƣợc dùng trong chuyển gene có promoter, vùng mã hóa, và trình tự cuối. Trong hình, vicillin promoter, đặc biệt cho sự biểu hiện trong hạt, chi phối sự biểu hiện gene của gene UDP 6-glucose dehydrogenease theo chiều antisen. Trong cấu trúc cũng có trình tự kết thúc NOS (noplaine synthase), đánh dấu vị trí kết thúc của sự NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  15. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 23 sao chép. Ngoài gene quan tâm, nhìn chung gene reporter đƣợc chuyển đồng thời để dễ dàng cho sự xác định và chọn lọc cá thể chuyển gene. Hình 1.17: Ví dụ cấu trúc di truyền đƣợc dùng ức chế gene UDP 6-glucose dehydrogenease trong đậu nành. Thông thƣờng gene reporter cũng nằm trong cấu trúc gene chuyển. Chức năng của reporter cho phép sự chọn lọc có thể thấy đối với các tế bào chuyển gene. Chuyển gene cá thể là nhiệm vụ khó khăn. Tính khoa học ẩn sau các phƣơng pháp thì chỉ có thể hiểu ở mức cơ bản, còn kết quả của các phƣơng pháp thì không luôn luôn theo dự định. Trình tự các gene đặc biệt cần để kích thích sự biểu hiện của gene chuyển và các gene cần cho sự xác định cá thể chuyển gene. Chuyển gene vẫn đang tiếp tục đƣợc cải thiện để biểu hiện chính xác hơn các tính trạng mong muốn trong các sinh vật khác nhau. Hiểu đƣợc sự phức tạp của chuyển gene là mấu chốt để mở rộng những ứng dụng trong công nghệ sinh học. NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  16. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Hiện trạng chuyển Gene 24 I.3. Hiện trạng sản xuất cây trồng chuyển gene trên thế giới Từ 1986-1997 đã có khoảng 25.000 cuộc thử nghiệm ngoài đồng về cây chuyển gene, đƣợc tiến hành ở 45 quốc gia với hơn 60 cây trồng và 10 đặc tính. Trong số 25.000 cuộc thử nghiệm thì 60% đƣợc tiến hành từ năm 1986-1995, còn lại đƣợc tiến hành vào 2 năm 1996-1997. Năm 1997, chỉ có 46 sản phẩm chuyển gene của 12 cây trồng với 6 đặc tính đã đƣợc thƣơng mại hóa. Bảng 1.2: Bảng thống kê danh sách các tính trạng đƣợc chuyển vào cây trồng. Tính trạng Yếu tố di truyền Nguồn STT Delta(12)-fatty acid Glycine max 1 Fatty acid composition dehydrogenease 2 Fatty acid composition Fatty acid desaturase NULL 3 Fatty acid composition Thioesterase Umbellularia californica Barnase ribonuclease Bacillus 4 Fertility restoration inhibitor amyloliquefaciens 5-enolpyruvylshikimate-3- Agrobacterium 5 Herbicide tolerance phosphate synthase tumefaciens CP4 5-enolpyruvylshikimate-3- Z. mays 6 Herbicide tolerance phosphate synthase Acetolactate synthase chimera of 2 resistant 7 Herbicide tolerance AHAS genes (S4-Hr4) Acetolactate synthase chlorsulfuron tolerant 8 Herbicide tolerance line of A. thaliana Acetolactate synthase chlorsulfuron tolerant 9 Herbicide tolerance Nicotiana tabacum 10 Herbicide tolerance Glyphosate oxidoreductase Ochrobactrum anthropi Nitrilase Klebsiella pneumoniae 11 Herbicide tolerance subspecies ozanae Phosphinothricin N- S. hygroscopicus 12 Herbicide tolerance acetyltransferase Phosphinothricin N- S. viridochromogenes 13 Herbicide tolerance acetyltransferase NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  17. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Hiện trạng chuyển Gene 25 Tính trạng Yếu tố di truyền Nguồn STT Cry1Ab delta-endotoxin (Btk Bacillus thuringiensis 14 Insect resistance HD-1) subsp. kurstaki (Btk) Cry1Ac delta-endotoxin Bacillus thuringiensis 15 Insect resistance subsp. kurstaki (Btk) Cry1F delta-endotoxin Bacillus thuringiensis 16 Insect resistance var. aizawai 17 Insect resistance Cry2Ab delta-endotoxin Bacillus thuringiensis Cry3A delta-endotoxin Bacillus thuringiensis 18 Insect resistance subsp. Tenebrionis Cry3Bb1 delta-endotoxin Bacillus thuringiensis 19 Insect resistance subsp. kumamotoensis Cry9c delta-endotoxin Bacillus thuringiensis 20 Insect resistance subsp. Tolworthi 21 Insect resistance Protease inhibitor S. tuberosum 22 Lepidopteran resistance Cry1F delta-endotoxin Bacillus thuringiensis Barnase ribonuclease Bacillus 23 Male sterility amyloliquefaciens 24 Male sterility DNA adenine methylase Escherichia coli 25 Modified color Dihydroflavonol reductase Petunia hybrida Flavonoid 3p, 5p Petunia hybrida 26 Modified color hydroxylase Flavonoid 3p, 5p Viola sp. 27 Modified color hydroxylase 28 Mutations Acetolactate synthase Brassica napus 29 Mutations Acetolactate synthase Helianthus annus 30 Mutations Acetolactate synthase Lens culinaris 31 Mutations Acetolactate synthase Oryza sativa 32 Mutations Acetolactate synthase Triticum aestivum 33 Mutations Acetolactate synthase Z. mays 34 Mutations Acetyl-CoA-carboxylase Z. mays NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  18. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Hiện trạng chuyển Gene 26 Tính trạng Yếu tố di truyền Nguồn STT Nicotinate-nucleotide Nicotiana tabaccum pyrophosphorylase 35 Nicotine reduced (carboxylating) 1-amino-cyclopropane -1- Dianthus caryophyllus L. 36 Ripening delayed carboxylic acid synthase 1-amino-cyclopropane-1- Pseudomonas 37 Ripening delayed carboxylic acid deaminase chlororaphis Aminocyclopropane cyclase Tomato 38 Ripening delayed synthase 39 Ripening delayed Polygalacturonase Tomato S-adenosylmethionine E. coli bacteriophage T3 40 Ripening delayed hydrolase Helicase potato leafroll luteovirus 41 Virus resistance (PLRV) orf 2 Replicase (RNA dependent potato leafroll luteovirus 42 Virus resistance RNA polymerase) (PLRV) orf 1 Viral coat protein Cucumber mosaic 43 Virus resistance cucumovirus Viral coat protein papaya ringspot 44 Virus resistance potyvirus (PRSV) Viral coat protein potato potyvirus Y (PVY) 45 Virus resistance strain O (common strain) Viral coat protein Watermelon mosaic 46 Virus resistance potyvirus 2 Viral coat protein Zucchini yellow mosaic 47 Virus resistance potyvirus NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  19. PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Hiện trạng chuyển Gene 27 Đến năm 2004, diện tích trồng cây chuyển gene tăng 40 lần, từ 1,7 triệu ha lên đến 80 triệu ha, đặc biệt là ở các nƣớc đang phát triển. Hình 1.18: Bản đồ một số nƣớc chính có cây trồng chuyển gene lớn trên thế giới Hình 1.19: Diện tích cây trồng chuyển gene các nƣớc trên thế giới. Hình 1.20: Biểu đồ tỷ lệ các loại gene kháng đƣợc chuyển vào cây trồng trên thế giới NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
  20. PHẦN B: TỔNG QUAN – Giới thiệu Bioinformatics – Khái niệm 28 II. Giới thiệu về Bioinformatics II.1. Khái niệm về Bioinformatics Bioinformatics là sự kết hợp giữa Công nghệ sinh học và Công nghệ thông tin với mục tiêu giúp hiểu biết và khám phá những nguyên lý trong sinh học. Bioinformatics sử dụng máy tính để giải quyết những vấn đề của khoa học sự sống, chủ yếu là các vấn đề về cơ sở dữ liệu (CSDL) đa dạng của bộ gene, CSDL về trình tự protein, ... Đây còn là môn học giải quyết những vấn đề về kỹ thuật nhƣ mô hình cấu trúc ba chiều của phân tử và các hệ thống sinh học. Bioinformatics là sự phối hợp giữa toán học, thống kê và kỹ thuật máy tính nhằm phân tích thông tin sinh học, sinh lý, sinh hóa, di truyền. Bioinformatics liên quan đến những phƣơng pháp nhƣ lƣu trữ, tìm kiếm và phân tích dữ liệu sinh học nhƣ nucleic acid, trình tự protein; nghiên cứu cấu trúc, chức năng, con đƣờng và những ảnh hƣởng di truyền. Bioinformatics đã thực sự trở thành một công cụ nghiên cứu mới, trợ giúp đắc lực và hiệu quả để đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sinh học. Ba nhiệm vụ cơ bản của Bioinformatics là:  Xây dựng, bổ sung, tổ chức quản lý và khai thác cơ sở dữ liệu đa dạng và toàn diện trên quy mô toàn cầu liên quan đến sinh học và các ngành khoa học liên quan.  Xây dựng và phát triển các chƣơng trình xử lý dữ liệu ứng dụng, dƣới dạng các chƣơng trình xử lý độc lập hay đƣợc tích hợp ngay trên các thiết bị phân tích hiện đại.  Đào tạo và cập nhật thƣờng xuyên cho các nhà sinh học kỹ năng tƣ duy và năng lực khai thác hai nội dung trên vào hoạt động khoa học và công nghệ nhằm tạo ra bƣớc chuyển đột phá trong cách tiếp cận nghiên cứu sinh học. NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2